拒绝死亡的泥土：非生物代谢的长期证据

背景

长期以来，科学界普遍认为代谢（Metabolism）——即细胞内一系列精密协调的化学反应，用于分解分子并释放能量——是生命独有的特征。这一过程依赖于酶和基因构成的复杂网络，通常只能在活细胞内部受控环境中进行。

然而，法国国家农业、食品与环境研究所（INRAE）的生物化学家 Sébastien Fontaine 及其团队在长达 15 年的研究中，挑战了这一固有认知。Fontaine 最初的研究目的是测定完全无菌土壤中碳的释放基准量，以排除微生物呼吸对土壤碳循环测量的干扰。通过将土壤密封在罐中并用伽马射线彻底灭菌，他们试图观察“死”土壤的行为。出乎意料的是，尽管显微镜下未观察到任何生命迹象，这些无菌土壤却持续释放二氧化碳长达六年之久。这一反常现象促使他们深入探究：在没有生命蛋白质的情况下，土壤是否仍在进行某种形式的“呼吸”。

核心内容

Fontaine 团队的研究历程充满曲折，从最初的意外发现到最终在《Science Advances》（2025年）上发表论文，揭示了非生物代谢的可能性。

1. 意外的“呼吸”现象 在早期实验中，Fontaine 的团队将土壤密封在无菌罐中，并使用质谱仪定期测量空气中的碳含量。伽马辐射杀死土壤微生物后，碳排放率迅速下降，但并未消失，而是在超过 100 天内保持稳定。当其他研究人员建议将其视为实验误差时，Fontaine 坚持认为这可能是一种未知的代谢过程。为了验证这一假设，他们向无菌土壤中加入少量酵母提取酶，结果碳排放立即激增。这表明土壤中可能存在某种尚未被激活的反应机制，而酶只是加速了它。

2. 排除污染与确认无菌 为了说服科学界，团队花费十年时间证明样本确实无菌。他们尝试通过增加辐射、压力和热量来“彻底杀死”土壤，但排放持续存在。研究生 Benoit Kéraval 通过电子显微镜在灭菌土壤中发现了细胞结构，但染色测试显示这些细胞缺乏 RNA 或 DNA，确认为死细胞。相比之下，当人为引入微生物模拟污染时，细胞迅速重新定殖并释放大量二氧化碳。这证实了观察到的现象并非由消毒不彻底引起。

3. 六年的长期监测与机制探索 2018年，Clémentin Bouquet 加入团队后，研究进入深入机制阶段。他们研究了两组密封的灭菌土壤样本：一组为普通土壤，另一组添加了葡萄糖。在长达 1,606 天和 2,442 天的监测中，尽管排放速率随时间推移进一步减缓，但土壤仍在“呼吸”。添加葡萄糖的样本显示出更高的排放率，这强化了 Fontaine 的怀疑：土壤中的非生物催化剂可能引发了类似糖代谢分解的反应。

4. 电子流与克雷布斯循环的非生物模拟 代谢的核心是克雷布斯循环（Krebs cycle），这是一个通过剥离富碳分子中的高能电子来产生能量的过程。Fontaine 设计了一种燃料电池装置，用于检测土壤中是否有电子以电流形式流动。实验结果显示，使用五年前灭菌的土壤时，电路中的电流强度是盐水对照组的数倍。这证明无菌土壤支持电子流动，其过程类似于依赖氧气的克雷布斯循环代谢。

此外，Fontaine 团队在 2025 年的一份预印本中指出，他们在 6 个月大的无菌土壤中观察到了克雷布斯循环中已知的八种中间分子中的四种。许多这些分子是在辐射处理后形成的。作者认为，这表明土块确实可以在没有生命存在的情况下催化这些反应。

关键要点

• 非生物代谢的存在：实验证明，在没有活细胞、酶或 DNA/RNA 的情况下，土壤仍能持续消耗氧气并释放二氧化碳，持续时间长达六年。
• 电子流的证据：通过燃料电池实验，研究人员在无菌土壤中检测到了显著的电流通量，表明土壤中存在类似生物代谢的电子转移过程。
• 中间产物的形成：在无菌土壤中检测到了克雷布斯循环的关键中间分子，且这些分子多在灭菌处理后形成，暗示了非生物催化路径。
• 葡萄糖的催化作用：添加葡萄糖的无菌样本表现出更高的碳排放率，表明土壤中的矿物质（如铁氧化物和铝氧化物）可能作为非生物催化剂，促进了类似糖分解的反应。
• 科学界的质疑与验证：尽管初期遭遇同行评审的强烈怀疑，认为可能是实验伪影，但团队通过长期的无菌验证和重复实验，最终提供了坚实的数据支持。

意义与影响

这项研究不仅改变了我们对土壤碳循环的理解，更对生命起源理论产生了深远影响。

1. 地质化学与生物化学的界限模糊 渥太华大学的有机化学家 Joseph Moran 指出，这项研究展示了“当生物分子被放任自流时会发生什么”。生命化学并非生命独有，它也是地质化学的一部分。这意味着某些生化反应可能并不局限于生物体，而是地球化学环境中的自然现象。

2. 生命起源的新视角 该发现支持了“代谢优先”（Metabolism-first）的生命起源理论。过去十年间，越来越多的研究者认为，在生命出现之前，金属（如铁和锌）可能已经催化了关键的生化反应。这些金属至今仍是许多古老酶的核心成分。Fontaine 的研究表明，分解和构建葡萄糖衍生物的反应可能在酶和基因出现之前就已经存在。

3. 重新定义生命的基础 正如 Moran 所言，一些研究者主张重新组织关于生命的思维框架：将代谢置于生命活动的基础地位，而基因则是更高层面的调控手段。如果非生物环境能够自发进行类似代谢的反应，那么生命可能并非突然从无机世界中诞生，而是从这些持续进行的地质-化学过程中逐渐演化而来。

Fontaine 的结论是，这些反应可能早于地球上的生命存在。这一发现为理解生命如何从非生命物质中涌现提供了关键的实验证据，同时也提醒我们，地球深处的化学过程远比我们想象的更为复杂和活跃。